引水隧洞施工減震措施數值模擬與優化設計

章 文

(江西省水利投資集團有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

某水電站位于江西省贛江流域某河段，總庫容0.82億m3，設計裝機容量15萬kw，多年平均發電量6.1億kW·h，效益約1.5億元。該工程發電引水系統的引水隧洞全長1800m，隧洞設計洞徑3.8m，隧洞縱坡1/500。該電站工程所處地區位于江西省北部地區，屬于江西省地震帶最為集中的地區之一。歷史上江西省北部和南部地區共發生多次5級以上破壞性地震，最近一次為1995年4月15日在贛北瑞昌、九江、德安等三縣交界處發生的4.9級地震，歷史最大震級為6級。由于該地區屬于地震災害多發區，在今后仍有發生破壞性地震或受到破壞性地震影響的危險，防震形勢嚴峻。基于此，在進行引水隧洞建設時需要采取一定的減震措施。在綜合分析各種減震工程技術措施的優劣之后，該引水隧洞工程確定采取減震層設計方案，也就是在隧洞襯砌結構和外部圍巖之間設置減震層，通過減震層將襯砌和圍巖分開，達到隧洞減震的目標。本次研究主要通過數值模擬的方式，對減震層的材料和厚度設計進行優化研究，以獲得最佳減震層設計方案。

2 ANSYS有限元模型

2.1 模型構建

圖1 隧洞設計斷面示意圖

本次研究使用大型商用ANSYS有限元軟件進行數值計算模型的構建。根據某電站引水隧洞的設計資料，研究斷面的示意圖如圖1所示。研究中采取八節點三維實體單元Solid65和Solid45來建立三維結構計算模型，利用Combin14 彈簧-阻尼器單元建立不同材料之間的相互作用，利用FLUID29 單元模擬引水隧洞中的內水，襯砌與內水之間的連接界面設置為流固耦合界面[1- 4]。模型劃分為2337個計算單元，2456個計算節點，計算斷面的網格剖分示意圖如圖2所示。

圖2 計算斷面網格剖分示意圖

2.2 邊界條件與計算參數

地震波在隧洞圍巖巖體中的傳播從理論上講是一個無限介質的問題，但是有限元計算模型不可能取無限大的空間，因此引入人工邊界[5]。許多學者提出了多種不同的邊界處理方法。本次研究中以這些研究成果為參考，在模型計算中考慮豎向地震荷載時，模型的兩側采用水平約束，底面采用豎向約束；在考慮水平地震荷載時，模型的兩側采用豎向約束，淺埋的頂面為自由邊界，網格的底部為豎向約束[6- 9]。研究中以地質調查資料和相關工程經驗確定模型的計算參數，結果見表1。

表1 計算模型的物理力學參數

2.3 地震波選取

進行水工結構的地震響應分析，需要直接輸入地震波的加速度時程曲線[10]。由于研究區的地震資料比較缺乏，研究中選取發生于1940年5月18日的美國帝國谷EL-Centro地震的加速度記錄作為輸入的地震荷載。該地震波記錄時長為12s，最大加速度發生在2.132s，該地震波的加速度時程曲線如圖3所示。很據相關研究成果，地震發生后的前5s地震響應最大，因此研究中取前5s的地震波加速度時程曲線作為數據輸入計算模型。

圖3 EL-Centro地震波水平向加速度時程曲線

3 計算結果分析

3.1 減震層材料選擇

考慮某電站引水隧洞的工程實際，擬采用泡沫混凝土或水泥漿注漿兩種不同的減震層材料。研究中利用上節構建的數值計算模型，對未設置減震層以及設置層厚30cm的泡沫混凝土和注漿減震層在地震荷載條件下的引水隧洞位移和位移加速度的影響進行模擬計算，結果見表2。由表中的計算結果可知，3種不同工況下引水隧洞各部位的位移和位移加速度的值比較接近，變化量極為有限，說明減震層對引水隧洞的位移和位移加速度的影響極為有限。

表2 不同減震措施下隧洞主應力計算結果

對上述條件下的引水隧洞主應力的影響進行模擬計算，結果見表3。由表格中的數據可以看出：設置減震層后，引水隧洞各部位的第一和第三主應力值均有明顯減小，說明設置減震層對提高引水隧洞的抗震性能具有比較顯著的作用。從設置泡沫混凝土和注漿層兩種不同的減震層材料對比看，采用注漿層時引水隧洞各個監測部位的主應力值減小幅度更大。以拱腰為例，相對于未設置減震層，采用泡沫混凝土減震層時，第一主應力由1.535減小到1.348，減小了12.18%；第三主應力由-1.705減小到-1.491，減小了12.20；采用注漿減震層時，第一主應力由1.535減小到1.293，減小了15.77%；第三主應力由-1.705減小到-1.432，減小了16.01%。由此可見，采用注漿減震層可以獲得更好地防震效果，因此，建議在工程設計和施工中采用注漿減震層結構設計。

表3 不同減震措施下隧洞主應力計算結果

3.2 減震層厚度優化設計

根據上節的計算成果，不同減震層設計的引水隧洞地震響應在拱腰部位表現最為顯著。為了進一步獲取最佳減震層厚度，研究中結合已有的研究成果[11]，對厚度分別為30、40、50cm的注漿減震層引水隧洞拱腰部位位移、加速度、第一主應力和第三主應力的峰值進行數值模擬計算，結果見表4。

由表4中的計算成果可知，隨著減震層厚度的增加，引水隧洞拱腰部位的位移呈現出先增大后減小的特點，但是變化量均在1%以內，說明減震層的厚度對引水隧洞位移的影響極為有限；隨著減震層厚度的增加，引水隧洞拱腰部位的位移加速度呈現出增大趨勢，從而使隧洞結構在地震過程中受到的慣性力逐漸增大。由此可見，從位移加速度的角度來看，增大減震層厚度不利于隧洞抗震性能的改善。從隧洞應力變化來看，隨著減震層厚度的增加，引水隧洞腰部受到的第一主應力和第三主應力均呈現出減小趨勢，但是厚度從40cm增加到50cm時減小的幅度極為有限。例如，相對于厚度為30cm的減震層，當減震層厚度為40cm時第一主應力減小12.81%，當減震層厚度為50cm時第一主應力減小13.04%。由此可見，從主應力的視角來看，增加減震層的厚度有助于改善引水隧洞的抗震性能，但是在厚度超過40cm的情況下，改善效果極為有限。綜合上述，減震層的厚度并不是越大越好，對某電站引水隧洞的注漿減震層設計而言，最佳厚度為40cm。

表4 不同減震層厚度條件下引水隧洞拱腰地震響應參數計算結果

4 結論

設置減震層是引水隧洞施工建設中的常用減震工程措施。本次研究以某電站引水隧洞為例，利用有限元數值模擬的方法對減震層的材料和厚度進行優化研究，并獲得如下主要結論：

(1)對未設置減震層以及設置層厚30cm的泡沫混凝土和注漿減震層在地震荷載條件下的引水隧洞位移、位移加速度和主應力值進行計算，結果顯示采用注漿減震層可以獲得更好地防震效果，建議在工程設計和施工中采用注漿減震層結構設計。

(2)減震層的厚度并不是越大越好，對某電站引水隧洞的注漿減震層設計而言，最佳厚度為40cm。

(3)綜合本文研究成果，建議某電站引水隧洞施工建設中采用厚度為40cm的注漿減震層，以獲得最佳減震效果。